希格斯場賦予粒子「無中生有」的質量

fans news 發佈 2021-11-26T00:32:58+00:00

千變萬化的物質是如何產生的?這一話題在哲學史上爭論不休,在科學上也一直探究不止。希格斯場為所有基本粒子賦予了質量,但宇宙中的大多數物質似乎來源於其它地方。

千變萬化的物質是如何產生的?這一話題在哲學史上爭論不休,在科學上也一直探究不止。希格斯場為所有基本粒子賦予了質量,但宇宙中的大多數物質似乎來源於其它地方。在宇宙大爆炸之後不久,粒子從能量的衰減中獲得了質量,而在宇宙誕生的「零點」時刻,所有的粒子都沒有質量,它們在極端炙熱的「原始羹湯」以光速移動,在宇宙「原始時期」的某個時點,希格斯場閃亮登場,一旦出世,希格斯場即刻瀰漫到「襁褓」或「嬰兒」的宇宙,基本粒子被賦予了質量。人們在今日地球的大舞台來回走動,在工作、愛情、娛樂、商業投資和財富增值的領地尋找機會,玩轉音樂,窺探外星人的奧秘,發明了運算無極限的超級計算機和時速無極限的無人飛行器等等,從粒子物理學的角度講,人們都得益於希格斯粒子的「賦能」。

希格斯場改變了粒子「在世」的環境和行為方式,科學家有一些常用的比喻,他們有時將希格斯場比喻為糖漿或粘稠的蜜汁,希格斯場降低了粒子在其中穿行的速度。科學家也將希格斯場比喻為社交大聚會,人們在聚會場合「三三兩兩」地交談,客人在人群穿來穿去的速度受到阻擾,也有科學家將希格斯場比喻為一群「你追我趕」的狗仔隊,當某個一線明星步入紅地毯時,狗仔隊和周圍人群訊速地圍攏上來,擋住了明星的腳步,想走卻走不快,想躲卻躲不及,但有一些社會名流被冷落了,狗仔隊和粉絲不熟悉他們的面孔。在以上的比喻中,名氣或人氣成了質量的「同義詞」,誰的名氣或人氣大,誰的腳步挪動得就慢,最有可能受到圍觀者的阻攔,他們和圍觀人群的交流機會越多,誰被聚光燈照射得越多,誰的名氣和場面越大。

為什麼開啟了希格斯場?一些粒子和希格斯場發生了頻繁的交互作用?一些粒子和希格斯場則發生了稀少的交互作用,甚至沒有發生相互的作用?人們還不清楚其中的奧秘。哈佛大學物理學系的理論物理學家、馬特·斯特拉斯勒助理教授解釋說,為什麼希格斯場的發現僅是個開端?這是因為有關希格斯場的一大堆問題沒有得到解決。

希格斯場賦予基本粒子以質量,電子、中微子和其它基本粒子不再分為更小的成分,但它們僅占整個宇宙物質的微小部分,其餘物質來自於由夸克組成的質子和中子,夸克、質子和中子通過所謂的強相互作用產生質量。每一個質子或中子由三個夸克組成,高速運動的三個夸克聚合在膠子的作用下,膠子傳遞了夸克之間的強核力,夸克和膠子相互作用的能量賦予質子和中子以質量,這與希格斯場賦予夸克以質量的機制有所不同。

質能方程式並非愛因斯坦最先提出,但他對這一方程式按照相對論進行了推導和解釋,物質的能量等於質量與光速平方的乘積,這無疑說明了在夸克、質子和中子層次的物質中蘊藏了可觀的能量。愛荷華州立大學的物理學家約翰·拉喬伊解釋說,三個夸克聚合為一個質子,結果出乎意料,在一個微小空間聚集了巨大的能量密度。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成,中子則有一個上夸克和兩個下夸克組成,它們的構成方式十分相似。

從強相互作用幾乎獲得了同等的質量,但中子質量比質子質量多出了一點,這一微小的質量差很關鍵,中子在衰變為質子的過程提升了化學和生物學的作用,如果質子更重一點,那麼它們不會衰變為中子,我們今天看到的宇宙將不會存在。費米實驗室的理論物理學家安德里亞斯·克朗菲爾德解釋說,下夸克與希格斯場的相互作用更為強烈,下夸克因此獲得了更多的一點質量。這是質子和中子出現微小質量差異的原因。

基本粒子從希格斯場獲得了質量,但似乎也有例外,自成體系中微子有極其微小的質量,中微子質量比電子質量小了100萬倍,它是自然世界第二輕的粒子,呈電中性,幾乎不與其它物質發生任何作用,科學家對中微子如此之輕感到十分迷惑,目前,理論物理學家正在考慮其它可能性的解釋,比如:中微子可能是它們自身的反粒子,從而得到了一種解釋。反物質版本的中微子和物質版本的中微子可能是同一的,如果這種同一性得到了物理實驗的證實,那麼這意味著中微子從其它渠道取得了少許質量,而不是從它和希格斯波色子的相互作用中獲得質量。物理學家在2012年發現了希格斯玻色子,但沒有充分解釋它的質量形成機制。

中微子必然從希格斯場之類的源泉取得質量,極其微小質量的中微子分布在整個的宇宙空間,人們對中微子的存在沒有一點感覺,中微子取得質量的「場」可能就是其它基本粒子取得質量的希格斯場,也可能存在某種希格斯粒子的遠房「堂表兄妹」,「異形希格斯場」給中微子提供了微乎其微的質量。不排除中微子質量來源於某種額外場域的可能,從而解釋了中微子質量之謎的謎題,這也是現代物理學的「一朵烏雲」,始終縈繞在物理學家的頭頂。

西北大學的理論粒子物理學家安德烈·德·古維阿解釋說,有些科學家對中微子質量來源的可能性解釋感到十分欣慰和興奮,新奇的解釋方式與希格斯場的質量機制沒有關聯,這是全新解釋的質量來源。新奇的質量形成機制也許與宇宙中的暗物質有關,物理學家普遍認為,暗物質數量遠超普通物質數量,未發現的暗物質粒子也許從其它的機製取得了質量。古維阿解釋說,自然傾向於經濟的法則,同樣的粒子和場可能用於解釋所有的怪異現象,問題是科學家還不能用希格斯場的機制徹底解釋中微子微小質量的來源謎題。





(編譯:2016-5-13)





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